Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, nhu cầu phát triển các công nghệ mô phỏng thử nghiệm với độ chính xác cao ngày càng tăng, đặc biệt trong các ngành công nghiệp có yêu cầu an toàn và chi phí sản xuất lớn như hàng không vũ trụ, đóng tàu và chế tạo ô tô. Công nghệ Hardware-In-the-Loop (HIL) thủy lực nổi lên như một giải pháp mô phỏng thời gian thực, sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển, giúp nhà thiết kế đánh giá chính xác hiệu suất và các tác động bất lợi từ môi trường vận hành. Nghiên cứu tập trung vào hệ thống HIL thủy lực kết cấu song song 6 bậc tự do (hexapod), với mục tiêu phát triển và ứng dụng bộ truyền động điện thủy lực (EHA) nhằm tiết kiệm năng lượng, đồng thời thiết kế bộ điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) để đảm bảo độ chính xác vận hành.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng động lực học và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống HIL hexapod thủy lực, với thời gian thực hiện từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả mô phỏng chuyển động, giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế và tăng độ tin cậy của các sản phẩm công nghiệp trọng điểm. Theo báo cáo của ngành, việc ứng dụng EHA có thể cải thiện hiệu suất làm việc hệ thống từ khoảng 60% lên hơn 68%, đồng thời thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi giúp giảm thiểu hiện tượng rung lắc và không yêu cầu mô hình toán học chính xác, phù hợp với các hệ thống phi tuyến phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết động học kết cấu song song 6 bậc tự do và thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control - AFSMC).

  • Lý thuyết động học kết cấu song song hexapod: Hệ thống gồm 6 xy lanh thủy lực truyền động song song, mỗi xy lanh có 1 bậc tự do tịnh tiến, kết hợp với các khớp nối cầu và khớp nối các đăng cung cấp tổng cộng 6 bậc tự do chuyển động (3 tịnh tiến và 3 quay). Phân tích động học thuận và nghịch được thực hiện bằng phương pháp Newton-Raphson để xác định vị trí và hướng dịch chuyển của nền tải dựa trên độ dài các trục dẫn.

  • Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC): Kết hợp ưu điểm của điều khiển chế độ trượt và logic mờ, AFSMC giúp điều khiển hệ thống phi tuyến như EHA ổn định, giảm rung lắc (chattering) và không cần mô hình toán học chính xác. Thuật toán sử dụng các biến ngôn ngữ với 7 mức độ (âm lớn, âm vừa, âm nhỏ, bằng 0, dương nhỏ, dương vừa, dương lớn) để điều chỉnh tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh, đồng thời áp dụng luật thích nghi để ước lượng tham số tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do, ma trận Jacobian, mặt trượt (sliding surface), hàm Lyapunov, và các tham số mờ trong bộ điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình ảo của hệ thống truyền động điện thủy lực (EHA) được xây dựng trên phần mềm Amesim, kết hợp với mô phỏng điều khiển trên Matlab/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống hexapod với 6 xy lanh thủy lực, mỗi xy lanh được mô phỏng chi tiết về động lực học và điều khiển.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích động học thuận và nghịch của hệ thống hexapod bằng phương pháp Newton-Raphson.
  • Mô hình hóa các thành phần thủy lực như bơm servo AC, xy lanh thủy lực, van một chiều và van an toàn.
  • Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển mờ trượt thích nghi cho từng xy lanh và toàn bộ hệ thống 6 xy lanh.
  • Đánh giá kết quả mô phỏng qua các chỉ số sai số vị trí, áp suất tại các cổng xy lanh, lực tải và tham số mờ điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021, với các giai đoạn chính: tổng quan và phân tích lý thuyết, mô hình hóa hệ thống, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi trên một xy lanh: Trong trường hợp tải 1 kN, bộ điều khiển đạt độ chính xác vị trí cao sau khoảng 2 giây, sai số vị trí được giới hạn trong khoảng 1 mm. Áp suất tại cổng 1 duy trì ổn định ở mức 31 Pa, trong khi cổng 2 gần bằng 0, đảm bảo lực tải đủ để thắng ngoại lực.

  2. Phản hồi vị trí theo tín hiệu hình sin: Với biên độ 30 mm và tần số 0.1 Hz, vị trí thực tế của tải bám sát giá trị tham chiếu, sai số luôn dưới 1 mm. Áp suất tại hai cổng xy lanh có sự lệch pha phù hợp với chuyển động piston, áp suất cổng 1 luôn lớn hơn cổng 2 do diện tích buồng piston khác nhau.

  3. Tham số mờ điều khiển thích nghi liên tục được điều chỉnh: Tham số mờ đạt giá trị tối ưu khoảng 0.5 sau 5 giây, giúp giảm rung lắc và duy trì ổn định hệ thống.

  4. Mô hình động lực học hệ thống 6 xy lanh: Phương trình vi phân phi tuyến bậc 2 mô tả chính xác chuyển động của hệ thống hexapod, với ma trận mô men quán tính, lực Coriolis và lực hấp dẫn được tính toán đầy đủ. Bộ điều khiển mờ trượt thích nghi được mở rộng cho toàn hệ thống, đảm bảo đồng bộ và chính xác trong điều khiển 6 bậc tự do.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ trượt thích nghi phù hợp với hệ thống truyền động điện thủy lực EHA, giúp giảm thiểu hiện tượng rung lắc và không yêu cầu mô hình toán học chính xác, điều này phù hợp với đặc tính phi tuyến và không ổn định của EHA. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng van servo, giải pháp EHA kết hợp AFSMC mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng và độ chính xác cao hơn.

Biểu đồ sai số vị trí theo thời gian và áp suất tại các cổng xy lanh minh họa rõ sự ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống. Bảng so sánh các tham số điều khiển trước và sau khi áp dụng AFSMC cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ chính xác và ổn định.

Ngoài ra, việc áp dụng mô hình hóa động lực học chi tiết và thuật toán điều khiển thích nghi giúp hệ thống HIL hexapod có thể mô phỏng linh hoạt các chuyển động phức tạp trong thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy của các thử nghiệm mô phỏng chuyển động trong các ngành công nghiệp trọng điểm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng bộ truyền động điện thủy lực (EHA) trong các hệ thống HIL công nghiệp: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu là tiết kiệm năng lượng và tăng độ chính xác mô phỏng, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghiệp và viện nghiên cứu.

  2. Phát triển và tối ưu hóa thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC): Động từ hành động là "nâng cấp", mục tiêu giảm sai số vị trí dưới 1 mm và giảm rung lắc, thời gian 6-12 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư điều khiển.

  3. Xây dựng hệ thống mô phỏng HIL hexapod đa năng cho các ngành hàng không, ô tô và đóng tàu: Động từ hành động là "thiết kế và triển khai", mục tiêu mở rộng phạm vi mô phỏng chuyển động 6 bậc tự do, thời gian 2-3 năm, chủ thể là các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị mô phỏng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành hệ thống HIL thủy lực: Động từ hành động là "tổ chức đào tạo", mục tiêu nâng cao kỹ năng vận hành và bảo trì hệ thống, thời gian liên tục hàng năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và điều khiển tự động: Học hỏi phương pháp mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển mờ trượt thích nghi cho hệ thống phi tuyến phức tạp.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị mô phỏng chuyển động và hệ thống HIL: Áp dụng giải pháp truyền động điện thủy lực và thuật toán điều khiển để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

  3. Các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành cơ khí, tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu và giảng dạy về mô phỏng chuyển động và điều khiển hệ thống thủy lực.

  4. Nhà quản lý dự án và kỹ sư vận hành trong các ngành hàng không, ô tô, đóng tàu: Hiểu rõ về công nghệ HIL thủy lực và các giải pháp điều khiển tiên tiến để áp dụng trong kiểm thử và phát triển sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống HIL thủy lực hexapod có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    HIL hexapod cung cấp 6 bậc tự do chuyển động, mô phỏng linh hoạt các chuyển động tịnh tiến và quay, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp. Kết cấu song song giúp tăng độ chính xác và khả năng chịu tải lớn.

  2. Tại sao chọn bộ truyền động điện thủy lực (EHA) thay vì van servo?
    EHA có khả năng biến đổi tốc độ động cơ điện thành lực tải lớn, tiết kiệm năng lượng hơn và giảm tổn thất áp suất so với van servo, đồng thời phù hợp với các hệ thống yêu cầu tải trọng cao.

  3. Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) hoạt động như thế nào?
    AFSMC kết hợp điều khiển chế độ trượt và logic mờ để điều chỉnh tín hiệu điều khiển, giảm rung lắc và không cần mô hình toán học chính xác, thích hợp cho hệ thống phi tuyến và không ổn định như EHA.

  4. Sai số vị trí của hệ thống điều khiển đạt được bao nhiêu?
    Theo kết quả mô phỏng, sai số vị trí được giới hạn trong khoảng 1 mm, đảm bảo độ chính xác cao trong vận hành hệ thống HIL thủy lực.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Có thể triển khai thiết kế bộ điều khiển AFSMC trên các hệ thống HIL thủy lực hiện có hoặc phát triển hệ thống mới sử dụng EHA, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành để đảm bảo hiệu quả và độ ổn định của hệ thống.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phát triển thành công mô hình HIL thủy lực hexapod 6 bậc tự do kết hợp bộ truyền động điện thủy lực (EHA) giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu quả mô phỏng.
  • Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) được thiết kế và mô phỏng cho thấy khả năng điều khiển chính xác, giảm rung lắc và không yêu cầu mô hình toán học chính xác.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy sai số vị trí dưới 1 mm và áp suất vận hành ổn định, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp trọng điểm.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng EHA và AFSMC trong các hệ thống HIL công nghiệp, đồng thời nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình điều khiển cho toàn hệ thống 6 xy lanh, thử nghiệm thực tế và phát triển hệ thống mô phỏng đa năng cho các ngành hàng không, ô tô và đóng tàu.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp tiên tiến này để nâng cao hiệu quả mô phỏng và phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp hiện đại!